KR20200116058A - 아크 용접 회로의 실시간 저항 모니터링 - Google Patents

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대니얼 피 플레밍
주다 비 헨리
조나단 씨 켈름
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Abstract

용접 또는 적층 제조 전원 공급기는 용접 파형을 생성하도록 구성되는 출력 회로망, 출력 회로망에 의해 생성되는 용접 전류를 측정하는 전류 센서, 용접 파형의 출력 전압을 측정하는 전압 센서, 및 용접 파형을 제어하도록 출력 회로망에 작동적 연결되고, 용접 전류 및 출력 전압을 모니터링하도록 전류 센서 및 전압 센서에 작동적 연결되는 제어기를 포함한다. 용접 파형의 일부는 제1 레벨로부터 제1 레벨과 상이한 제2 레벨로의 전류의 제어된 변화를 포함한다. 제어기는 출력 전압 및 전류의 제어된 변화로부터 회로 인덕턴스를 결정하고, 회로 인덕턴스에 기반하여 실시간으로 소모품 전극의 저항의 변화를 추가로 결정하도록 구성된다.

Description

아크 용접 회로의 실시간 저항 모니터링{REAL TIME RESISTANCE MONITORING OF AN ARC WELDING CIRCUIT}
관련 출원들에 대한 상호 참조
본 출원은 2019년 3월 29일자로 출원된 미국 가출원 일련 번호 제 62/826,323호의 우선권을 주장하며, 개시가 참조로 본원에 포함된다.
발명의 분야
본 발명은 금속 적층 제조와 같은 용접 또는 용접-타입 프로세스에 사용되는 전기 아크를 생성하는 전원 공급기에 관한 것이다.
용접 전원 공급기는 매우 빠른 출력 전류 변화로 복합 용접 파형을 생성할 수 있다. 그러한 복합 용접 파형은 전형적으로 전압 및/또는 전류 피드백 측정에 기반하여 제어된다. 피드백 측정은 용접되는 워크피스에 국부적이지만 용접 전원 공급기로부터 보다 원거리인 용접 와이어 공급기, 또는 용접 전원 공급기에 의해 행해질 수 있다. 전원 공급기로부터 연장되는 긴 길이의 용접 케이블은 용접 회로에 상당한 인덕턴스 그리고 따라서 임피던스를 더할 수 있다. 긴 용접 케이블이 사용될 때, 전원 공급기의 성능이 제한될 수 있고, 정확한 피드백 측정이 더 어려워진다. 용접 전원 공급기는 워크피스로 연장되는 전용 센스 도선을 통해 원거리 피드백 측정을 행할 수 있지만; 그러한 센스 도선은 시스템 복잡성 및 비용을 증가시키고, 부서지기 쉽고 용이하게 파손되는 경향이 있다. 따라서, 센스 도선의 사용은 일반적으로 원해지지 않는다. 용접 와이어 공급기가 원거리 피드백 측정을 행할 수 있지만; 측정 데이터가 쓸모 있도록 측정 데이터가 그 다음 빠르게 용접 전원 공급기로 다시 전해져야 한다. 그러한 피드백 통신은 부가 회로망 그리고 가능하게는 전원 공급기와 와이어 공급기 사이의 부가 제어 배선을 필요로 한다. 피드백 통신은 용접 케이블을 통해 일어날 수 있지만, 용접 케이블을 따른 조절되어야 할 상당한 양의 잡음이 있는 경향이 있다. 전용 센스 도선 또는 용접 와이어 공급기로부터의 전압/전류 피드백 데이터에 대한 필요 없이, 용접 회로가 긴 케이블 길이로 인해 상당한 양의 인덕턴스를 포함할 때에도 워크피스에서 원거리로 일어나는 용접 조건을 실시간으로 용접 전원 공급기가 정확히 결정하는 것이 바람직할 것이다.
이하의 요약은 본원에 논의되는 디바이스들, 시스템들 및/또는 방법들의 일부 양태의 기본 이해를 제공하기 위한 단순화된 요약을 제공한다. 본 요약은 본원에 논의되는 디바이스들, 시스템들 및/또는 방법들의 광범위한 개요가 아니다. 본 요약은 중대한 요소들을 식별하거나 그러한 디바이스들, 시스템들 및/또는 방법들의 범위를 기술하는 것으로 의도되지 않는다. 본 요약의 유일한 목적은 이후에 제공되는 보다 상세한 설명에 대한 서문으로서 단순화된 형태로 일부 개념을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 용접 또는 적층 제조 전원 공급기가 제공된다. 전원 공급기는 용접 파형을 생성하도록 구성되는 출력 회로망, 출력 회로망에 의해 생성되는 용접 전류를 측정하는 전류 센서, 용접 파형의 출력 전압을 측정하는 전압 센서, 및 용접 파형을 제어하도록 출력 회로망에 작동적 연결되고, 용접 전류 및 출력 전압을 모니터링하도록 전류 센서 및 전압 센서에 작동적 연결되는 제어기를 포함한다. 용접 파형의 일부는 제1 레벨로부터 제1 레벨과 상이한 제2 레벨로의 전류의 제어된 변화를 포함한다. 제어기는 출력 전압 및 전류의 제어된 변화로부터 회로 인덕턴스를 결정하고, 회로 인덕턴스에 기반하여 실시간으로 소모품 전극의 저항의 변화를 추가로 결정하도록 구성된다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 용접 또는 적층 제조 시스템이 제공된다. 시스템은 소모품 전극, 토치, 증착 작동 동안 토치를 통해 소모품 전극을 진행시키는 와이어 공급기, 및 적어도 하나의 케이블을 통해 와이어 공급기 및 토치에 작동적 연결되는 전원 공급기를 포함한다. 전원 공급기는 소모품 전극에서 용접 전류를 생성하도록 토치에 일련의 용접 파형들을 제공하도록 구성된다. 상기 일련의 용접 파형들의 개별 용접 파형의 일부는 제1 레벨로부터 제1 레벨과 상이한 제2 레벨로의 전류의 제어된 변화를 포함한다. 전원 공급기는 전류의 제어된 변화 동안 행해지는 전압 및 전류 측정들에 기반하여 회로 인덕턴스를 결정하도록 구성된다. 전원 공급기는 회로 인덕턴스에 기반하여 실시간으로 소모품 전극의 저항의 변화를 결정하도록 추가로 구성된다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 용접 또는 적층 제조 전원 공급기가 제공된다. 전원 공급기는 용접 파형을 생성하도록 구성되는 출력 회로망, 출력 회로망에 의해 생성되는 용접 전류를 측정하는 전류 센서, 용접 파형의 출력 전압을 측정하는 전압 센서, 및 용접 파형을 제어하도록 출력 회로망에 작동적 연결되고, 용접 전류 및 출력 전압을 모니터링하도록 전류 센서 및 전압 센서에 작동적 연결되는 제어기를 포함한다. 용접 파형의 일부는 제1 레벨로부터 제1 레벨과 상이한 제2 레벨로의 전류의 제어된 변화를 포함한다. 제어기는 적어도 전류의 제어된 변화로부터 증착 작동 동안 실시간으로 회로 인덕턴스를 결정하고, 회로 인덕턴스에 기반하여 실시간으로 소모품 전극의 저항의 변화를 추가로 결정하도록 구성된다.
전원 공급기 또는 제어기는 용접 전류 및 출력 전압으로부터 실시간으로 회로 임피던스를 결정하도록 구성될 수 있다. 전류의 제어된 변화는 용접 파형의 전류 램프 부분 동안 일어날 수 있다. 전원 공급기 또는 제어기는 소모품 전극의 저항의 변화에 기반하여 단락 이벤트의 간격을 결정하도록 구성될 수 있다. 전원 공급기 또는 제어기는 소모품 전극의 저항의 변화에 기반하여 전극 돌출 거리의 변화를 결정하도록 구성될 수 있다. 전원 공급기는 출력 스위치, 및 출력 스위치와 병렬로 연결되는 저항기를 포함할 수 있고, 용접 파형은 최소 전류 부분, 소모품 전극과 워크피스 사이의 단락 이벤트 동안의 핀치 전류 부분, 플라스마 승압 펄스 부분, 및 플라스마 승압 펄스 부분으로부터 백그라운드 전류 레벨로의 테일 아웃(tail out)을 포함할 수 있고, 전원 공급기/제어기는 소모품 전극의 저항의 변화에 기반하여 용접 파형의 최소 전류 부분을 구현하기 위해 출력 스위치를 비활성화시키도록 구성될 수 있다. 전원 공급기/제어기는 소모품 전극의 저항의 변화를 임계값과 비교하고 소모품 전극의 저항의 변화가 임계값을 충족시키거나 초과할 때, 출력 스위치를 비활성화시키도록 구성될 수 있다. 전원 공급기/제어기는 회로 인덕턴스를 임계값과 비교하고 회로 인덕턴스를 임계값과 비교하는 것의 결과에 기반하여 출력 스위치의 재활성화를 제어하도록 구성될 수 있다. 특정 실시예들에서, 용접 파형의 핀치 전류 부분은 전원 공급기/제어기가 기준치 회로 저항을 결정하는 정전류 부분을 포함할 수 있다. 전원 공급기/제어기는 회로 인덕턴스 또는 기준치 회로 저항에 기반하여 용접 파형 파라미터를 조정하도록 구성될 수 있다. 용접 파형 파라미터는 용접 전류 램프 속도 및/또는 평균 용접 전압일 수 있다.
본 발명의 전술한 그리고 다른 양태들이 첨부 도면들을 참조하여 이하의 설명을 읽을 시에 본 발명이 관련되는 당업자에게 명백해질 것이다:
도 1은 용접 시스템의 사시도이다.
도 2는 용접 시스템의 개략도이다.
도 3은 용접 시스템의 개략도이다.
도 4는 용접 회로의 개략도이다.
도 5는 용접 전극 및 워크피스를 도시한다.
도 6은 용접 파형을 도시한다.
도 7은 용접 회로 임피던스의 그래프이다.
도 8은 유도성 리액턴스의 그래프이다.
도 9는 보정된 저항의 그래프이다.
도 10은 용접 파형을 도시한다.
도 11은 흐름도이다.
도 12는 예시적 제어기를 도시한다.
본 발명의 예시적인 실시예들을 첨부 도면들을 참조하여 이제 후술할 것이다. 설명하는 예시적인 실시예들은 본 발명의 이해를 돕는 것으로 의도되고, 어떤 방식으로든 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 유사 참조 번호들은 전체에 걸쳐 유사 요소들을 지칭한다.
본원에 사용되는 바에 따라, “적어도 하나의(at least one)”, “하나 이상의(one or more)”, 그리고 “및/또는(and/or)”은 사용 중인 접속적이고 이접적인 둘 다인 제한을 두지 않은 표현들이다. 예를 들어, “A, B 및 C 중 적어도 하나(at least one of A, B and C)”, “A, B 또는 C 중 적어도 하나(at least one of A, B, or C)”, “A, B 및 C 중 하나 이상(one or more of A, B, and C)”, “A, B 또는 C 중 하나 이상(one or more of A, B, or C)” 그리고 “A, B 및/또는 C(A, B, and/or C)”란 표현들 각각은 단독으로 A, 단독으로 B, 단독으로 C, 함께 A 및 B, 함께 A 및 C, 함께 B 및 C, 또는 함께 A, B 및 C를 의미한다. 실시예들의 설명에서이든, 청구항들에서이든, 아니면 도면들에서이든 2개 이상의 대안적인 용어를 제공하는 임의의 이접적인 단어 또는 어구는 용어들 중 하나, 용어들 중 어느 하나, 또는 용어들 둘 다를 포함하는 가능성들을 고려하는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, “A 또는 B(A or B)”란 어구는 “A” 또는 “B” 또는 “A 및 B(A and B)”의 가능성들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본원에 설명하는 본 발명 실시예들이 GMAW 타입 용접의 맥락에서 논의되지만, 본 발명의 다른 실시예들은 GMAW 타입 용접에 제한되지 않는다. 예를 들어, 실시예들은 SAW 및 FCAW 타입 용접 작동들뿐만 아니라 다른 유사한 타입들의 증착 작동들에서 활용될 수 있다. 게다가, 본 발명의 실시예들은 수동, 반자동 및 로봇식 용접 작동들에서 이용될 수 있다. 본 발명의 실시예들은 적층 제조, 표면 경화 및 클래딩과 같은 용접과 유사한 금속 증착 작동들에서 이용될 수도 있다. 본원에 사용되는 바에 따라, “용접(welding)”이란 용어는 이러한 기술들이 모두 워크피스를 접합하거나 축적하기 위해 재료 증착을 수반함에 따라, 이러한 기술들 모두를 포함하는 것으로 의도된다. 그러므로 효율을 도모하기 위해, “용접”이란 용어는 예시적인 실시예들의 설명에서 이하에 사용되지만, 다수의 워크피스의 접합이 일어나든 아니든 이러한 재료 증착 작동들 모두를 포함하는 것으로 의도된다.
도 1은 아크 용접 시스템(100)의 예시적인 실시예를 도시한다. 시스템(100)은 용접 전원 공급기(110), 용접 와이어 공급기(140), 용접 와이어 소스(160), 가스원(120), 및 용접 토치 또는 건(130)을 포함한다. 와이어 공급기(140)는 제어기(150) 및 와이어 그립핑 디바이스(170)를 포함한다. 제어기(150)는 용접 와이어 소스(160)(예를 들어, 스풀, 드럼 등)로부터 와이어 그립핑 디바이스(170)를 통해 그리고 용접 케이블(135)을 통하여 용접 건(130)으로 용접 와이어 전극을 끌어 당기기 위해 와이어 그립핑 디바이스(170)를 구동시키는 모터(미도시)를 포함할 수 있다. 그러한 용접 시스템들은 관련 분야에 널리 알려져 있다. 용접 전원 공급기(110)의 제1 전기 단자 또는 출력 스터드는 워크피스(W)에 연결될 수 있어 용접 전원 공급기의 제2 전기 단자 또는 출력 스터드에 전기적 연결되는 용접 와이어 전극이 아크 용접 작동에서 용접점을 생성하기 위해 용접 건(130)을 통하여 워크피스(W)에 적용될 수 있다.
도 2는 아크 용접 시스템(100)의 개략도를 제공한다. 전원 공급기(110)는 용접 도선들(103 및 105)을 통해 워크피스(W)로 용접 신호 또는 용접 파형을 제공한다. 용접 신호는 전류 및 전압을 갖고, 하나의 레벨로부터 다른 레벨로의 전류의 변화를 필요로 하는 용접 신호의 타입일 수 있다. 예를 들어, 신호는 용접 동안 백그라운드로부터 피크 레벨로 변화하는 펄스 용접 신호, 또는 알려진 속도로 하나의 극성으로부터 다른 극성으로 변화하는 교호 극성 파형일 수 있다. 전원 공급기(110)로부터의 전류는 접촉 팁(109)을 통하여 전극(111)으로 전달되어 전극(111)과 워크피스(W) 사이에 아크(114)를 생성한다. GMAW 용접 작동들에서 통상적인 바와 같이, 양의 도선(103)은 와이어 공급기(140)에 결합될 수 있으며 양의 도선(103)은 그 다음 용접 케이블(135)을 통해 접촉 팁(109)으로 용접 전류를 보낸다. 그러한 구성에서, 양의 도선(103)의 전체 길이는 전원 공급기(110)에서부터 와이어 공급기(140)까지 그리고 와이어 공급기에서부터 접촉 팁(109)까지의 연결의 조합이다. 물론, 도선(103)은 접촉 팁(109)에 직접 결합될 수 있다. 전원 공급기(110)는 전원 공급기의 전기 출력에 용접 도선들(103, 105)을 연결시키는 단자들 또는 출력 스터드들(115, 116)을 포함할 수 있다.
도 3은 도시되는 전원 공급기(110)의 부가 상세들을 갖는 아크 용접 시스템(100)의 다른 개략도를 제공한다. 전원 공급기(110)는 상업 전원 또는 발전기와 같은 전원(172)으로부터 아크(114)를 생성하기 위한 전기 에너지를 수용한다. 전원(172)은 단상 또는 3상 전원일 수 있다. 특정 실시예들에서, 아크 용접 시스템(100)은 용접 전원 공급기(110)에 에너지를 또한 공급하는 하나 이상의 배터리(미도시)를 포함하는 하이브리드 시스템일 수 있다. 전원 공급기(110)는 접촉 팁(109) 및 전극(111)에 용접 파형들을 공급하기 위한 출력 회로망을 포함한다. 출력 회로망은 원하는 용접 파형에 따라 아크(114)를 생성하기 위한 인버터(174)와 같은 스위칭 타입 전력 변환기를 포함할 수 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 용접 전원 공급기는 용접 파형들을 생성하기 위한 직류 초퍼(미도시) 또는 승압 변환기(미도시)를 포함할 수 있다. 전원(172)으로부터의 교류 전력은 입력 정류기(176)에 의해 정류된다. 정류기(176)로부터의 직류 출력은 인버터(174)에 공급된다. 인버터(174)는 변압기(178)에 고주파수 교류 전력을 공급하고, 변압기의 출력은 출력 정류기(180)에 의해 직류로 다시 변환된다.
출력 회로망으로부터의 전류는 접촉 팁(109)으로 그리고 전극(111) 및 워크피스(W)로 흘러 아크(114)를 생성한다. 출력 정류기(180)로부터의 용접 전류는 제어 가능 출력 스위치(182) 또는 저항기(170)를 통해 흐를 수 있다. 출력 스위치(182)를 비활성화시키는 것은 저항기(170)를 통해 용접 전류를 강제함으로써 용접 전류를 빠르게 감소시킬 것이다. 출력 스위치(182) 및 저항기(170)는 용접 전류를 빠르게 감소시킴으로써 용접 동안 특정 시점들에서 스패터를 감소시키는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 표면 장력 전달(STT) 또는 단락-아크 용접 작동을 행할 때, 용접 전류는 출력 스위치(182)를 선택적으로 비활성화시킴으로써 용접 전극(111)과 워크피스(W) 사이의 단락 이벤트가 일어나고/나거나 중단되려 할 때, 낮은 전류 레벨로 빠르게 가져오게 될 수 있다. 저항기(170)가 출력 스위치(182)와 병렬로 연결되는 것을 알 수 있다. 출력 스위치(182)가 온 또는 활성화된 상태로 있을 때, 용접 전류는 출력 스위치를 통해 토치(130) 및 전극(111)으로 흐른다. 온 상태로 있을 때, 출력 스위치(182)는 저항기(170)를 효과적으로 단락시켜 버린다. 출력 스위치(182)가 오프 또는 비활성화된 상태로 있을 때, 저항기(170)는 토치(130) 및 전극(111)과 직렬로 연결되고, 용접 전류가 저항기를 통해 흐른다. 특정 실시예들에서, 저항기(170)는 낮은 전류 레벨의 규모를 제어하도록 조정 가능할 수 있다.
용접 토치(130)는 전원 공급기(110)에 작동적 연결된다. 전원 공급기(110)는 아크(114)를 생성하고 증착 작동(예를 들어, 용접, 적층 제조, 표면 경화 등)을 수행하도록 용접 토치(130)에 용접 출력 전기 에너지를 공급한다. 토치(130)는 전원 공급기(110)에 의해 전극(111)에 공급되는 전기 에너지를 전달하기 위한 접촉 팁(109)을 가질 수 있다. 전극(111)은 솔리드, 플럭스 코어드 또는 메탈 코어드 소모품 와이어 용접 전극일 수 있다. 전극(111)은 와이어 공급기(140)에 의해 용접 와이어 소스(160)로부터 공급될 수 있으며, 와이어 공급기(140)는 용접 작동 동안 용접 퍼들 쪽으로 전극을 진행시킨다. 도 3에 개략적으로 도시된 바와 같이, 와이어 공급기(140)는 토치(130) 쪽으로 전극(111)을 몰아대기 위한 모터-작동 핀치 롤러들을 포함할 수 있다.
아크 용접 시스템(100)은 직류 전극 양(DC+) 또는 “반대” 극성에 대해 구성될 수 있으며, 접촉 팁(109) 및 전극(111)은 전원 공급기(110)로부터의 양의 도선에 연결되고, 워크피스(W)는 음의 도선에 연결된다. 대안적으로, 아크 용접 시스템(100)은 직류 전극 음(DC-) 또는 “정” 극성에 대해 구성될 수 있으며, 워크피스(W)는 양의 도선에 연결되고 접촉 팁(109) 및 전극(111)은 음의 도선에 연결된다. 게다가, 아크 용접 시스템(100)은 교류 파형들이 접촉 팁(109), 전극(111) 및 워크피스(W)에 제공되는 교류 용접에 대해 구성될 수 있다.
전원 공급기(110)는 전원 공급기에 의해 생성되는 용접 파형들을 제어하는, 인버터(174)와 같은 출력 회로망에 작동적 연결되는 제어기(184)를 포함한다. 제어기(184)는 인버터(174)에 파형 제어 신호를 제공하여 인버터(174)의 출력을 제어할 수 있다. 제어기(184)는 파형 제어 신호를 통하여 인버터(174)의 출력을 제어하여, 원하는 용접 파형, 용접 전압, 용접 전류 등을 달성한다. 파형 제어 신호는 인버터(174) 내의 다양한 스위치(예를 들어, 트랜지스터 스위치)의 작동을 제어하는 복수의 별도의 제어 신호를 포함할 수 있다. 제어기(184)는 또한 온인, 활성화된 상태와 오프인, 비활성화된 상태 사이에서 출력 스위치(182)의 스위칭 작동들을 제어하도록 출력 스위치(182)에 작동적 연결된다. 제어기(184)는 피드백 신호들을 통하여 용접 프로세스의 양상들을 모니터링한다. 예를 들어, 변류기(CT) 또는 분로와 같은 전류 센서(186)는 제어기(184)에 용접 전류 피드백 신호를 제공할 수 있고, 전압 센서(188)는 제어기에 용접 전압 피드백 신호를 제공할 수 있다. 전류 센서(186) 및 전압 센서(188)는 전원 공급기(110)에 위치되며, 전원 공급기(110)는 워크피스(W) 및 아크(114)로부터 원거리일 수 있다. 그러나 이하에 추가로 논의될 것인 바와 같이, 제어기(184)는 전압 및 전류 센서들에 의해 전원 공급기(110)의 출력 스터드들(115, 116)에서 행해지는 전압 및 전류 측정들로부터 용접 프로세스의 조건들, 그리고, 특히 워크피스(W)에서 원거리로 일어나는 조건들을 모니터링할 수 있다.
제어기(184)는 전자 제어기일 수 있고 프로세서를 포함할 수 있다. 제어기(184)는 마이크로프로세서, 마이크로제어기, 디지털 신호 프로세서(DSP), 주문형 반도체(ASIC), 필드 프로그램 가능 게이트 어레이(FPGA), 별개의 로직 회로망 등 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 제어기(184)는 제어기가 본원의 제어기에 속하는 것으로 생각되는 기능을 제공하게 하는 프로그램 명령어들을 저장하는 메모리 부분(예를 들어, RAM 또는 ROM)을 포함할 수 있다. 제어기(184)는 별도의 비교기들, 로직 회로들 등과의 조합으로 프로세서와 같은 복수의 물리적으로 별도의 회로 또는 전자 디바이스를 포함할 수 있다. 그러나 설명의 용이함을 위해, 제어기(184)는 모놀리식 디바이스로서 나타내어진다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 워크피스(W)가 전원 공급기(110)로부터 멀리 떨어져 위치될 수 있음에 따라, 용접 도선들(103 및 105)은 아주 길 수 있다. 예를 들어 일부 경우에, 도선들(103/105)은 100 피트 이상의 길이를 가질 수 있다. 그러한 긴 케이블 길이들은 용접 회로의 인덕턴스를 상당히 증가시키고 아크 전압, 접촉 팁으로부터의 전극 “돌출” 길이, 아크 길이, 단락이 제거되려 하는지 여부 등과 같은 워크피스에서의 조건들을 결정하는 전원 공급기(110)의 능력에 부정적으로 영향을 줄 수 있다. 워크피스에서의 조건들은 용접 파형 또는 다른 용접 파라미터들에 행해질 조정들을 필요로 할 수 있고, 그러한 조정들을 적시에 그리고 정확하게 행하는 전원 공급기의 능력은 긴 케이블 길이들에 의해 악화될 수 있다. 예를 들어, 큰 케이블 인덕턴스(예를 들어, 35 μH 이상)는 전극(111)과 워크피스(W) 사이의 단락이 제거되려 하는지 여부를 판단하며, 전극 “돌출”에 대한 변화들을 결정하며, 스루 아크 용접선 추적(TAST) 동안의 용접 경로 조정들을 결정하는 등의 전원 공급기(110)의 능력에 부정적으로 영향을 줄 수 있다. 게다가, 용접 회로의 인덕턴스 및/또는 저항이 클 때, 일부 용접 파라미터를 조정하는 것이 바람직할 수 있다. 그러한 파라미터들의 예들은 용접 전원 공급기(110) 상의 평균 출력 전압 또는 “트림” 설정, 또는 용접 전류 파형의 램프 속도들을 포함한다. 용접 케이블들이 길면, 용접 회로에서의 인덕턴스 및 저항의 상응하는 증가는 용접점에 공급되는 적절한 아크 길이 및 에너지 레벨을 유지하도록 평균 용접 전압을 증가시킴으로써(예를 들어, 트림 설정을 증가시킴으로써) 조절되거나 상쇄될 수 있다. 용접 전류 램프 속도들은 용접 케이블들이 길 때, 감소될 수 있다. 보다 극심한 상황들에서, 케이블들이 길고 코일화될 때와 같이 용접 케이블들이 너무 길거나 용접 회로에 너무 많은 인덕턴스를 더하면, 경보를 통하여 개선책을 취할 것을 조작자에게 지시하는 것이 바람직할 수 있다. 본원에 논의되는 전원 공급기(110)는 용접 회로의 인덕턴스를 고려하여, 전원 공급기에서 원거리로 행해지는 측정들로부터 워크피스에서의 조건들을 결정할 수 있다. 특정 실시예들에서, 전원 공급기(110)는 용접 이전에 또는 용접 동안 케이블 인덕턴스를 결정하고, 용접 회로의 총 임피던스 및 유도성 리액턴스를 실시간으로 결정할 수 있다. 이러한 정보를 이용하여, 전원 공급기(110)는 용접 회로의 총 임피던스를 워크피스에서의 용접 전극의 저항을 포함하는 보정된 저항으로 변환시킬 수 있다. 전원 공급기(110)는 그 다음 전극과 워크피스 사이의 단락이 제거되려 하는 시점과 같은 워크피스에서의 조건들을 실시간으로 결정하고, (예를 들어, 스패터를 최소화하기 위해 용접 전류를 감소시킴으로써) 그러한 조건들에 응답하는 데 보정된 저항을 사용할 수 있다. 게다가, 전원 공급기(110)는 무엇보다도, 파라미터 조정들을 행하며, 용접선 추적을 수행하며, 아크에 공급되는 전력의 양을 결정하며, 용접 품질을 구분하는 것을 도우며, 다양한 경보를 생성하는 등에 측정되거나 추정된 케이블 인덕턴스 및/또는 보정된 저항을 사용할 수 있다.
도 4는 용접 회로(200)의 개략도를 도시한다. 용접 회로(200)는 전원 공급기(110)의 출력 스터드들(115, 116)로부터 토치 및 워크피스(미도시)로 연장된다. 전원 공급기(110)는 전원 공급기에서의 전류 및 전압 센서들을 사용하여 용접 회로(200)에서의 용접 전류(IS), 및 출력 스터드들(115, 116)에 걸친 용접 파형의 출력 전압(VS)을 측정할 수 있다. 저항(RT)은 토치 및 워크피스에서의 저항이고, 전압(VT)은 토치와 워크피스 사이의 전압이다. 아크 조건 동안, VT는 비교적 크다. 그러나, 와이어 전극과 워크피스 사이의 단락 조건 동안, VT는 거의 0 V이고 단지 워크피스에 단락되는 와이어 전극에 걸친 전압 강하이다.
인덕턴스(LC)는 가변 케이블 인덕턴스 및 또한 전원 공급기에서의 인덕턴스들을 포함하는 용접 회로 인덕턴스이다. 저항(RC)은 용접 케이블 또는 다른 복귀 경로(예를 들어, 접지)를 통해 있을 수 있는 주로 용접 케이블의 저항, 및 복귀 또는 접지 경로의 저항이다. 인덕턴스(LC) 및 저항(RC)은 케이블 길이와 함께 증가할 것이고, LC는 (예를 들어, 코일화된, 코일화되지 않은 등의) 케이블 배향으로 변화될 수 있다. 회로 커패시턴스 또는 용량성 리액턴스는 전체 회로 임피던스에 대한 대수롭지 않은 원인 제공자로서 일반적으로 무시될 수 있다. 케이블 길이가 짧을 때, 전원 공급기(110)에서의 VS의 측정은 용접 전극과 워크피스 사이의 단락이 일어나거나 제거되려 하는지 여부와 같은 워크피스에서의 조건들에 대한 유용한 정보를 제공할 수 있다. 그러나, 긴 케이블 길이들 및 큰 케이블 인덕턴스들(예를 들어, 35 μH 이상)로, 케이블의 임피던스는 용접 회로를 좌우하고, 워크피스에서 일정 조건들은 통상적으로 VS 및/또는 IS로부터 정확히 유도될 수 없다. 따라서, 전용 센스 도선들이 보다 직접적으로 VT를 모니터링하는 데 전원 공급기(110)에 의해 사용되었지만, 센스 도선들의 사용은 앞서 논의된 다양한 이유로 일반적으로 바람직하지 않다.
전원 공급기(110) 및 특히 전원 공급기(110)의 제어기는 용접 전류(IS) 및 출력 스터드들(115, 116)에 걸친 전압(VS)을 모니터링함으로써 워크피스에서의 조건들을 원거리로 결정하도록 구성된다. 제어기는 식: ZS = VS/IS로부터 용접 작동 동안 실시간으로 용접 회로의 임피던스(ZS)를 계산할 수 있다. ZS는 케이블 인덕턴스(LC)로 인한 유도성 리액턴스(XC), 케이블 저항(RC) 및 토치/워크피스에서의 저항(RT)을 포함하는 용접 회로에서의 개별 임피던스들의 합계이다. 따라서, ZS = XC + RC + RT이다. 유도성 리액턴스(XC)는 케이블 인덕턴스 곱하기 용접 전류(IS)의 변화의 속도 나누기 IS와 동등하며: XC = (LC)(dIS/dt)/IS이다. 용접 회로 임피던스 식에서 XC를 치환하는 것은: ZS = (LC)(dIS/dt)/IS + RC + RT를 산출한다. 따라서, 토치/워크피스에서의 저항(RT)은 이하의 식: RT = ZS - (LC)(dIS/dt)/IS - RC를 사용하여 계산될 수 있다. 게다가, ZS를 VS/IS로 대체하는 것은 이하의 것: RT = VS/IS - (LC)(dIS/dt)/IS - RC를 제공한다. 토치/워크피스에서의 계산된 저항(RT)은 케이블 임피던스의 영향이 보정되므로, “보정된 저항”이 고려될 수 있다.
용접 동안 토치/워크피스에서의 저항(RT)을 실시간으로 인지하고/하거나 저항(RT)의 변화들을 실시간으로 모니터링하는 것은 용접 전극에서 무엇이 일어나고 있는지에 대한 중요한 피드백 정보를 용접 전원 공급기(110)에 제공할 수 있다. 예를 들어, 용접 전극(111)과 워크피스(W) 사이의 단락이 제거되거나 중단되려 함에 따라, 전극은 용융된 용접 퍼들(202)에서의 넥킹(necking) 또는 내로우잉(narrowing)을 나타낸다(도 5). 전극의 내로우잉은 저항(RT) 상승을 야기한다. RT의 변화(예를 들어, ΔRT)를 모니터링하는 것은 단락이 중단되고 아크가 재점화할 때, 스패터를 최소화하도록 전원 공급기(110)가 단락이 제거되려 할 때를 결정하고 (예를 들어, 출력 스위치(182) - 도 3을 비활성화시킴으로써) 용접 전류를 감소시키는 것을 가능하게 할 수 있다. RT 및/또는 ΔRT를 모니터링하는 것은 스루 아크 용접선 추적을 수행할 때, 유용할 수 있는 전극 돌출에 대한 변화들에 관한 정보를 용접 전원 공급기(110)에 제공할 수도 있다. RT 및/또는 ΔRT를 모니터링하는 것은 용접 품질이 결정될 수 있는 워크피스로 전달되는 전력 또는 에너지의 양에 대한 정보를 용접 전원 공급기(110)에 제공할 수도 있다.
앞서 주목된 바와 같이, RT는 이하의 식: RT = VS/IS - (LC)(dIS/dt)/IS - RC를 사용하여 계산되거나 추정될 수 있다. 전원 공급기(110)는 VS 및 IS를 실시간으로 모니터링할 수 있다. 회로 인덕턴스(LC)를 추정하기 위해, 전원 공급기는 전류가 제1 레벨로부터 제1 레벨과 상이한 제2 레벨로 제어된 방식으로 변화되는 동안, VS를 모니터링할 수 있다. 제어된 전류 변화는 일반적으로 선형 램프 또는 비선형 변화(예를 들어, 기하 급수적 전류 변화)일 수 있다. 제1 레벨로부터 제2 레벨로의 제어된 전류 변화는 양(예를 들어, 증가하는 전류)이거나 음(예를 들어, 감소하는 전류)일 수 있다. 게다가, 제1 레벨로부터 제2 레벨로의 제어된 전류 변화는 전극(111)이 워크피스(W)에 단락되는 동안, 일어날 수 있다. 선형 또는 비선형 전류 램핑은 상향 램프 또는 하향의, 쇠퇴하는 램프일 수 있고, 능동 용접 동안 또는 용접 이전의 용접 케이블 테스트 동안 일어날 수 있다. 특정 실시예들에서, 인덕턴스(LC)는, 예를 들어 용접 케이블이 코일화되는 것으로 인한 시간이 지남에 따른 회로 인덕턴스에 대한 변화들을 처리하기 위해 (예를 들어, 실시간으로) 용접 동안 되풀이하여 결정될 수 있다. 케이블 저항(RC)은 전류(IS)가 일정할 때(예를 들어, 리액턴스를 가진 임피던스를 최소화하도록 dIS/dt = 0일 때) 워크피스에 단락되는 전극(111)으로 능동 용접 또는 용접 케이블 테스트 동안 측정될 수도 있다. 회로 인덕턴스(LC) 및 저항(RC)은 바람직하게는 견고한 단락 동안 전극(111)이 넥킹하거나 내로우잉하고 있지 않는 것으로 인지될 때, 측정되어 기준치 회로 임피던스를 제공한다. 회로 인덕턴스(LC) 및 저항(RC)은 워크피스에서의 전기 아크에 걸친 전압 강하가 제거되도록 워크피스(W)에 단락되는 전극(111)으로 측정될 수 있다. 그러나, 그러한 측정들이 단락이 제거되고 있고 용접 전류가 스패터를 최소화하도록 의도적으로 빠르게 감소될 때, 또는 펄스 전류가 단락 이벤트를 추종하여 아크를 재확립하도록 인가될 때와 같이 용접 동안 시간 맞춰 다른 시점들에서 행해질 수 있다는 점이 이해되어야 한다. 이러한 이벤트들 중 어느 하나(예를 들어, 전류를 빠르게 감소시키는 것 또는 전류 펄스를 인가하는 것은) 큰 규모 dIS/dt를 포함할 것이며, 이는 회로 인덕턴스(LC)를 계산하는 데 편리하다. 회로 인덕턴스(LC) 및/또는 저항(RC)은 이전 증착 작동들 동안 측정되고 이후의 증착 작동 동안 사용을 위해 메모리에 저장될 수 있고, LC 및 RC의 값들은 필요한 바에 따라 때때로 업데이트될 수 있다.
특정 실시예들에서, RT의 계산에 대한 케이블 저항(RC)의 영향이 교정 변수(CV)에 의해 근사화될 수 있다. 교정 변수는 경험적으로 결정될 수 있고 전원 공급기(110)의 메모리에 저장될 수 있다. 교정 변수가 사용되면, RT를 계산하는 식은 이하와 같을 것이다: RT = ZS - XC - CV = VS/IS - (LC)(dIS/dt)/IS - CV.
보정된 저항(RT)의 예시적 계산 및 사용이 STT 용접 작동의 맥락에서 논의될 것이다. STT 용접에 적절한 파형이 도 6에 도시되고, 도 3에 도시된 시스템 구성 요소들에 대하여 논의될 것이다. 파형은 백그라운드 전류 부분(300), 핀치 전류 부분(302), 및 다른 백그라운드 전류 부분(300)에 대한 테일 아웃(306)이 뒤따르는 플라스마 승압 펄스(304)를 포함한다. 백그라운드 전류 부분(300)과 핀치 전류 부분(302) 사이, 그리고 핀치 전류 부분(302)과 플라스마 승압 펄스(304) 사이에 최소 전류 부분들(308a, 308b)이 있다. 백그라운드 전류 부분(300)이 최소 전류 부분들(308a, 308b)보다 더 큰 규모이지만, 핀치 전류 부분(302) 및 플라스마 승압 펄스(304) 미만의 규모를 갖는다는 것을 알 수 있다. 출력 스위치(182)는 용접 파형의 백그라운드 전류(300), 핀치 전류(302) 및 플라스마 승압 펄스(304) 부분들 동안 온 상태로 있고, 용접 전류는 이러한 부분들 동안 출력 스위치를 통해 흐른다. 출력 스위치(182)는 최소 전류 부분들(308a, 308b) 동안 오프 상태로 있고, 용접 전류는 최소 전류 부분들 동안 저항기(170)를 통해 흐른다. 최소 전류 부분들(308a, 308b)의 규모는 저항기(170)의 저항 레벨에 의해 결정된다. 백그라운드 전류 부분(300)에 대한 예시적 전류 범위는 15 A 내지 150 A이다. 핀치 전류 부분(302) 및 플라스마 승압 펄스(304)에 대한 예시적 전류 범위는 150 A 내지 500 A이다. 최소 전류 부분들(308a, 308b)에 대한 예시적 전류 범위는 20 A 내지 125 A이다.
백그라운드 전류 부분(300) 동안, 용융된 볼이 전극(111)의 단부 상에 형성되고, 전극이 워크피스(W) 상의 용접 퍼들에 단락될 수 있다. 제어기(184)는 용접 전압(VS)을 모니터링함으로써 단락의 존재를 인지할 수 있다. 단락이 검출될 때, 제어기는 제1 최소 전류 부분(308a)을 구현하고 출력 스위치(182)를 턴 오프함으로써 최소 전류 레벨(308a)로 용접 전류를 빠르게 감소시킨다. 용접 전류를 감소시키는 것은 견고한 단락을 보장하는 것을 돕고 퓨즈와 같이 전극에서 떨어져 끈어지는 것을 피한다. 제1 최소 전류 부분(308a) 후에 그리고 전극과 워크피스 사이의 견고한 단락 동안, 핀치 전류(302)가 출력 스위치(182)를 통해 인가되어 용접 퍼들로의 분리를 위해 전극(111)의 단부를 넥킹 다운한다. 단락이 제거되기 직전에, 파형 상의 지점(C)에서, 제어기는 출력 스위치(182)를 다시 턴 오프하여 제2 최소 전류 부분(308b)을 구현하고 낮은 전류 레벨로 용접 전류를 빠르게 감소시켜 용융된 볼이 전극을 핀치 오프(pinch off)할 때, 스패터를 방지한다. 아크가 재확립될 때, 제어기(184)는 출력 스위치(182)를 통해 피크 전류 또는 플라스마 승압 펄스(304)를 인가하여, 적절한 아크 길이를 설정하고 와이어 전극(111)에서 멀리 용접 퍼들을 밀어낸다. 플라스마 승압 펄스(304)는 그 다음 제어기(184)에 의해 테일 아웃되어(306), 백그라운드 전류(300) 레벨로 용접 전류를 복귀시킨다.
파형 상의 지점(C)에서, 용융된 볼은 전극(111)으로부터 핀치 오프하려 하고, 전극은 도 5에 도시된 바와 같이, 넥킹하고 있다. 넥킹으로 인한 전극(111)에 걸친 감소된 단면적은 토치에서의 저항(RT)이 상승하게 한다. RT의 값의 변화(예를 들어, ΔRT)를 실시간으로 모니터링함으로써, 전극(111)의 넥킹 시간 맞춰 이전의 지점으로부터 지점(C)까지, 제어기(184)는 핀치 오프가 일어나려 하고 단락 이벤트가 제거될 때를 결정할 수 있다. RT의 증가된 저항에 기반하여, 제어기(184)가 핀치 오프가 일어나려 한다고 판단할 때, 제어기(184)는 출력 스위치(182)를 비활성화시켜 최소 전류 레벨(308b)로 전류를 감소시킨다. 특정 실시예들에서, RT의 값의 변화(ΔRT)는 핀치 오프가 일어나려 할 때를 결정하도록 임계값과 비교될 수 있어 ΔRT가 임계치를 충족시키거나 초과할 때, 제어기(184)가 출력 스위치(182)를 비활성화시킨다. ΔRT의 임계값은 용융된 볼이 전극(111)으로부터 핀치 오프하려 하는 것을 나타내고, 경험적으로 결정되고 전원 공급기(110)의 메모리에 저장될 수 있다. ΔRT의 임계값에 대한 예시적 범위들은 1 내지 10 mohm, 2 내지 5 mohm 등이지만, 다른 범위들이 가능하고 경험적으로 결정될 수 있다.
통상적 STT 용접에서, 용접 파형의 핀치 전류 부분은 제1 전류 레벨로부터 제2 전류 레벨로의 실질적으로 선형의 전류 램프이다. 그러나, 도 6에서의 파형의 핀치 전류 부분(302)은 용접 전극이 워크피스에 견고하게 단락되는 동안 행해지는 전압 및/또는 전류 측정들에 기반하여 용접 동안에 회로 인덕턴스(LC) 및 기준치 회로 저항(RC)이 실시간으로 결정되는 것을 가능하게 하도록 구성된다. 실시간 회로 인덕턴스(LC) 및 저항(RC) 측정들은 그 때 전극이 넥킹 다운하는 동안, 핀치 전류 부분(302)의 최종 전류 램프 동안의 워크피스에서의 전극의 보정된 저항(RT)을 계산하는 데 사용될 수 있다. 핀치 전류 부분(302)은 전류의 일정한 변화 속도(dIS/dt)에서 (예를 들어, 제1 레벨로부터 제2 레벨로의) 전류 레벨의 제어된 변화를 제공하는 제1 선형 램프(309)(기간(A))를 갖는다. 회로 인덕턴스(LC)는 전원 공급기에서 측정되는 용접 파형의 출력 전압 및 전류의 변화로부터 제1 선형 램프(309) 동안 계산될 수 있다. 제1 선형 램프(309)는 회로 인덕턴스로 인한 리액턴스를 가진 임피던스가 최소화되는 정전류 부분(310)이 뒤따른다. 케이블 또는 기준치 회로 저항(RC)이 핀치 전류(302)의 정전류 부분(310) 동안(예를 들어, 기간(B) 동안) 계산될 수 있다. 핀치 전류(302)의 제1 선형 램프(309) 및 정전류 부분(310) 동안, 전극이 가열되지만 아직 상당히 핀치 오프하거나 넥킹 다운하지 않았다. 핀칭이 제2 램프(312) 동안 일어나며, 제2 램프(312)는 제1 선형 램프(309)와 동일한 기울기 또는 상이한 기울기를 가질 수 있다. 제어기(184)는 출력 스위치(182)의 비활성화를 적절하게 시기에 맞추고 용접 전류(IS)를 빠르게 감소시키기 위해 용융된 볼이 핀치 오프하려 할 때를 예측하도록 정전류 부분(310) 동안 측정되는 기준치 또는 오프셋 저항(RC)으로부터 제2 램프(312) 동안의 RT의 값의 변화(ΔRT)를 모니터링한다. 통상적으로, 출력 스위치(182)의 작동은 센스 도선들을 사용하여 결정되거나 와이어 공급기에 의해 전해지는 워크피스에서의 전압의 변화의 속도에 기반하였다. 그러나, 상술한 바와 같은 보정된 저항(RT)의 변화들을 모니터링하고 이에 기반하여 출력 스위치(182)를 작동시키는 것은 부가 센스 도선들 및 와이어 공급기로부터의 통신에 대한 필요를 제거한다. 회로 인덕턴스(LC)가 핀치 전류 부분(302) 이외의 용접 파형의 부분들로부터 결정될 수 있다는 점이 이해되어야 한다. 예를 들어, 회로 인덕턴스(LC)는 핀치 전류 부분의 종료(지점(C))로부터 최소 전류 부분(308b)으로의 전류의 감소, 또는 최소 전류 부분(308b)의 종료로부터 플라스마 승압 펄스(304)로의 전류의 증가로부터 결정될 수 있다. 게다가, 회로 인덕턴스(LC)는 전류가 선형으로 또는 비선형으로 증가되는/감소되는 동안, 용접 동안 인가되는 에너지 및 용접 전류로부터 결정될 수 있다.
도 7 내지 도 9는 용접 전원 공급기에서 측정되는 바에 따른 용접 회로의 임피던스(ZS), 용접 회로의 유도성 리액턴스(XC), 및 보정된 저항(RT)이 전극이 핀치 오프 동안에 넥킹하고 있는 동안, 어떻게 작용하는지를 그래프로 도시한다. 작용은 전원 공급기가 전극으로부터 용융된 볼의 임박한 핀치 오프를 결정하기 위해 ΔRT를 모니터링함에 따라, 도 6에 도시된 예시적 전류 파형의 제2 램프(312) 부분 동안 일어난다. 전류(IS)가 용융된 볼을 핀치 오프하도록 상향으로 램핑되는 동안, 임피던스(ZS)가 비교적 안정되게 남아 있는 것을 도 7에서 알 수 있다. 따라서, ZS는 단독으로 용융된 볼의 임박한 분리의 양호한 암시를 제공하지 않는다. 전류(IS)가 상향으로 램핑됨에 따라, 유도성 리액턴스(XC)(도 8)는 선형으로 하향으로 기울어진다. XC = (LC)(dIS/dt)/IS이므로, IS가 제2 램프(312) 부분 동안 상향으로 램핑될 때, 유도성 리액턴스(XC)는 선형으로 감소한다. 보정된 저항(RT)은 도 9에 도시된 바와 같이 전극이 넥킹하고 있는 동안, 일반적으로 선형으로 증가한다. RT의 변화를 모니터링함으로써, 전원 공급기는 용융된 볼이 핀치 오프할 때를 예측하고 용접 전류를 감소시킴으로써 그에 상응하게 응답할 수 있다.
도 10은 도 6과 유사한 예시적 용접 파형을 도시한다. 용접 회로의 용접 케이블 길이 및 인덕턴스 레벨이 증가함에 따라, 용융된 볼이 전극으로부터 핀치 오프할 때를 정확히 결정하는 전원 공급기의 능력은 감소할 수 있다. 즉, 보정된 저항(RT)의 전원 공급기의 결정은 증가하는 케이블 길이/인덕턴스로 덜 정확해질 수 있다. 보정된 저항(RT)이 정확히 결정될 수 있는 정상적 조건들 하에서, 전원 공급기는 아크가 재확립하는 것을 가능하게 하도록 일정 기간 동안 출력 스위치(182)(도 3)를 비활성화시킬 것이다. 그러나, 용융된 볼이 분리될 준비가 되기 전에, 출력 스위치(182)가 (예를 들어, RT의 부정확한 계산으로 인해) 너무 이르게 비활성화되면, 용융된 볼은 적절하게 분리되지 않을 수 있으며, 이는 전극 스터빙(stubbing)을 야기할 수 있다. 케이블 인덕턴스 및 회로 인덕턴스(LC)가 클 때, 보정된 저항(RT)의 전원 공급기의 결정이 덜 정확하므로, 전원 공급기는 너무 이르게 출력 스위치(182)를 비활성화시킬 가능성이 더 많다. RT의 계산이 정확하지 않고, 용융된 볼이 핀치 오프할 준비가 되기 전에, 출력 스위치(182)가 너무 이르게 비활성화될 가능성을 처리하기 위해, 전원 공급기는 전원 공급기가 정상적으로 출력 스위치(182)를 재활성화시키거나 턴 온할 것보다 더 일찍 출력 스위치(182)를 재활성화시키거나 턴 온할 수 있다. 이것은 핀치 오프 동안 용접 전류를 증가시킬 것이며, 이는 더 많은 스패터를 야기할 수 있지만, 이는 용융된 볼의 분리를 보장하고 전극의 스터빙을 방지하는 것을 도울 것이다. 예시적 실시예에서, 전원 공급기는 측정되거나 추정된 회로 인덕턴스(LC)를 임계 레벨 또는 값(예를 들어, 35 μH, 40 μH, 50 μH, 50 μH 초과 등)과 비교한다. 회로 인덕턴스(LC)가 임계치를 충족시키거나 초과할 때, 전원 공급기는 지점(C)에서 출력 스위치를 비활성화시킨 후에, 핀치 전류 미만의 미리 정해진 전류 레벨(D)이 도달될 때, 출력 스위치(182)를 재활성화시킨다. 미리 정해진 전류 레벨(D)은 단락이 제거되는 동안, 용접 전극으로 정상적으로 전달되는 최소 전류 부분(308b)의 레벨보다 더 높다. 미리 정해진 전류 레벨(D)에 대한 예시적 전류 범위는 40 A 내지 125 A이다. 용접 전류가 미리 정해진 전류 레벨(D)로 강하할 때, 전원 공급기는 출력 스위치(182)를 재활성화시키고 용접 전류를 제어한다. 미리 정해진 전류 레벨(D)은 단락을 제거하기에 충분한 레벨일 수 있고 경험적으로 결정될 수 있다. 전원 공급기는 플라스마 승압 펄스(304)를 인가하기 이전에, 일정한 레벨(예를 들어, 레벨(D))을 유지하거나, 램핑되도록(예를 들어, 하향으로 램핑되도록) 용접 전류를 제어할 수 있다.
때때로 테일 아웃(306) 동안, 빠르게 제거되는 전극과 워크피스 사이의 매우 단시간의 단락이 일어날 수 있다. 전원 공급기는 단락의 존재를 인지하고 출력 스위치(182)를 부적절하게 비활성화시켜 전류를 감소시킬 수 있다. 이는 도 10에서의 지점(E)에서 도시되며, 여기서 출력 스위치가 비활성화되었고 전류 레벨이 감소되었다. 백그라운드 전류 부분(300)으로의 테일 아웃(306) 동안 단락이 일어났으므로, 출력 스위치가 재활성화된 후에, 전원 공급기는 백그라운드 레벨(300)로 전류를 제어하는 경향이 있을 것이다. 그러나 그러한 시나리오에서, 테일 아웃의 일부가 제거되었으므로, (열악한 액적 분리를 야기할 수 있는) 원하는 것보다 더 적은 에너지 및 열이 테일 아웃(306) 및 백그라운드 전류(300) 부분들 동안 전극으로 전달된다. 이러한 문제를 다루기 위해, 전원 공급기(예를 들어, 제어기)는 전류 레벨의 실행 메모리를 저장하는 버퍼를 포함할 수 있다. 실행 메모리는, 예를 들어 1 초 미만 내지 수 분과 같은 원하는 바에 따른 임의의 길이의 시간일 수 있다. 전원 공급기는 그 다음 도 10에 도시된 바와 같이, 출력 스위치가 재활성화된 후에, 실행 메모리에 저장되는 이전 전류 레벨로 복귀할 수 있다. 출력 스위치의 비활성화 이전에 도달되었던 전류 레벨로 복귀하는 것은 한 번의 주기의 파형에 대한 테일 아웃(306) 및 백그라운드 부분(300)의 길이를 약간 연장시키는 것을 야기할 수 있다. 전압, 전력, 임피던스, 보정된 저항 등과 같은 다양한 파라미터가 전원 공급기의 실행 메모리에 저장될 수 있다.
전극 넥킹 및 용융된 볼 핀치 오프를 결정하는 것은 용접 회로 임피던스들에 관한 앞서 논의된 측정들 및 계산들의 단지 하나의 예시적 적용이다. 보정된 저항(RT)은 용접 동안 자동적으로 용접선 추적할 때와 같이 전극 돌출의 변화들을 결정하는 데 사용될 수도 있다. 용접 전극은 용접 케이블들보다 실질적으로 더 작은 단면을 갖고, 더 큰 저항을 가질 수 있다. 용접 전극의 저항은 돌출이 감소함에 따라, 감소할 것이다. 보정된 저항(RT)을 사용하여 전극 돌출에 대한 변화들을 모니터링하는 것은 용접선 추적, 또는 돌출에 기반하는 또는 돌출이 모니터링되는 임의의 다른 프로세스의 정확성을 개선하는 것을 도울 수 있다. 보정된 저항(RT)을 분석하는 것은 용접 품질이 결정될 수 있는 워크피스로 전달되는 전력 또는 에너지의 양에 대한 정보를 제공할 수도 있다. 용접 품질은 용접 동안 사용되는 보호 가스 혼합물에 따라 추가로 분류될 수 있다. 예를 들어, 용접 회로의 저항 또는 임피던스가 주어진 전극, 가스 및 접촉 팁 내지 작업 거리(CTWD)에 대한 허용할 수 있는 범위 밖에 있으면, 적절한 경보가 생성될 수 있거나 용접점이 기준 일탈로서 플래깅될 수 있다. 측정된 회로 인덕턴스 및 저항(예를 들어, 기준치 회로 저항 및/또는 보정된 저항)은 용접 전압과 같은 용접 파라미터들에 대한 조정들을 자동적으로 행하거나, 경보들 또는 다른 경고들을 생성하는 데 사용될 수 있다. 앞서 주목된 바와 같이, 전원 공급기의 “트림” 설정은 케이블 저항에 기반하여 조정될 수 있다. 트림 설정은 아크 길이를 제어하기 위한 전체 전압 조정이다. 용접 케이블 저항이 클 때, 전원 공급기는 용접 케이블들에 걸친 증가된 전압 강하에 부응하도록 트림을 증가시킬 수 있다. 용접 전원 공급기는 케이블 저항 및 용접 전류를 트림값들과 관련시켜, 전류 용접 시스템 셋업을 위한 적절한 값으로 트림 설정을 자동적으로 조정하는 룩업 테이블을 포함할 수 있다.
도 11은 용접 전원 공급기에 의해 수행되는 예시적 프로세스의 흐름도이다. 단계(350)에서, 전원 공급기는 일련의 용접 파형들을 소모품 전극에 제공한다. 전극에의 용접 파형들의 제공 이전에 또는 제공 동안 얻어지는 데이터로부터, 전원 공급기는 용접 회로의 회로 인덕턴스를 결정한다(단계(352)). 회로 인덕턴스 결정은 전극을 통한 전류 레벨이 제어된 방식으로 변화되는 동안 행해지는 전압 및 전류 측정들에 기반할 수 있다. 전원 공급기는 용접 회로의 기준치 저항을 추가로 결정한다(단계(354)). 저항 결정은 전극을 통한 전류 레벨이 일정하게 유지되고 전극이 워크피스에 단락되는 동안 행해지는 전압 및 전류 측정들에 기반할 수 있다. 인덕턴스 및 저항 측정들은 용접 또는 다른 증착 작동 동안 실시간으로 행해질 수 있다. 전원 공급기는 증착 작동 동안 행해지는 전압 및 전류 측정들로부터 실시간으로 용접 회로의 임피던스를 추가로 결정할 수 있다(단계(356)). 용접 회로의 임피던스, 실시간 전압 및 전류 측정들, 회로 인덕턴스, 및 기준치 저항으로부터, 전원 공급기는 실시간으로 용접 회로에서의 (예를 들어, 전극 넥킹으로 인한) 보정된 저항의 변화를 결정할 수 있다(단계(358)). 예를 들어, 전원 공급기는 용접 회로의 총 임피던스를 보정된 저항으로 변환시킬 수 있다. 보정된 저항의 변화에 기반하여, 전원 공급기는 단락 조건이 제거되려 하는 것을 인지하고 용접 전류를 감소시키고/최소화하고 증착 작동 동안 스패터를 최소화하도록 출력 스위치의 작동들을 제어할 수 있다(단계(360)).
도 12는 용접 전원 공급기의 예시적 제어기(184)의 일 실시예를 도시한다. 제어기(184)는 버스 서브시스템(412)을 통하여 다수의 주변 디바이스와 통신하는 적어도 하나의 프로세서(414)를 포함한다. 이러한 주변 디바이스들은 예를 들어, 메모리 서브시스템(428) 및 파일 저장 서브시스템(426)을 포함하는 저장 서브시스템(424), 사용자 인터페이스 입력 디바이스들(422), 사용자 인터페이스 출력 디바이스들(420), 및 네트워크 인터페이스 서브시스템(416)을 포함할 수 있다. 입력 및 출력 디바이스들은 제어기(184)와의 사용자 상호 작용을 가능하게 한다. 네트워크 인터페이스 서브시스템(416)은 외부 네트워크들에 대한 인터페이스를 제공하고 다른 컴퓨터 시스템들에서의 상응하는 인터페이스 디바이스들에 결합된다.
사용자 인터페이스 입력 디바이스들(422)은 키보드, 마우스, 트랙볼, 터치패드 또는 그래픽스 태블릿과 같은 포인팅 디바이스들, 스캐너, 디스플레이로 포함되는 터치 스크린, 음성 인식 시스템들, 마이크들과 같은 오디오 입력 디바이스들, 및/또는 다른 타입들의 입력 디바이스들을 포함할 수 있다. 일반적으로, “입력 디바이스(input device)”란 용어의 사용은 제어기(184)로 또는 통신 네트워크로 정보를 입력하는 모든 가능한 타입의 디바이스들 및 방식들을 포함하는 것으로 의도된다.
사용자 인터페이스 출력 디바이스들(420)은 디스플레이 서브시스템, 프린터, 팩스 기계 또는 오디오 출력 디바이스들과 같은 비시각 디스플레이들을 포함할 수 있다. 디스플레이 서브시스템은 음극선관(CRT), 액정 디스플레이(LCD)와 같은 플랫 패널 디바이스, 투사 디바이스 또는 가시적 이미지를 생성하는 일부 다른 메커니즘을 포함할 수 있다. 디스플레이 서브시스템은 예를 들어, 오디오 출력 디바이스들을 통하여 비시각 디스플레이를 제공할 수도 있다. 일반적으로, “출력 디바이스(output device)”란 용어의 사용은 제어기(184)로부터 사용자 또는 다른 기계 또는 컴퓨터 시스템으로 정보를 출력하는 모든 가능한 타입의 디바이스들 및 방식들을 포함하는 것으로 의도된다.
저장 서브시스템(424)은 본원에 설명하는 제어 알고리즘들 및 소프트웨어 모듈들의 일부 또는 모두의 기능을 제공하는 프로그래밍 및 데이터 구성체들을 저장하는 비일시적인, 컴퓨터 판독 가능 저장 매체를 제공한다. 이러한 소프트웨어 모듈들은 일반적으로 단독으로 또는 다른 프로세서들과의 조합으로 프로세서(414)에 의해 실행된다. 저장 서브시스템에 사용되는 메모리(428)는 프로그램 실행 동안 명령어들 및 데이터의 저장을 위한 메인 랜덤 액세스 메모리(RAM)(430) 및 고정된 명령어들이 저장되는 읽기 전용 메모리(ROM)(432)를 포함하는 다수의 메모리를 포함할 수 있다. 파일 저장 서브시스템(426)은 프로그램 및 데이터 파일들에 대한 지속성의 저장을 제공할 수 있고, 하드 디스크 드라이브, 연관된 제거 가능 매체와 함께 플로피 디스크 드라이브, CD-ROM 드라이브, 광학 드라이브 또는 제거 가능 매체 카트리지들을 포함할 수 있다. 특정 실시예들의 기능을 구현하는 모듈들은 저장 서브시스템(424), 또는 프로세서(들)(414)에 의해 액세스 가능한 다른 기계들에서의 파일 저장 서브시스템(426)에 의해 저장될 수 있다.
버스 서브시스템(412)은 제어기(184)의 다양한 구성 요소 및 서브시스템이 의도되는 바에 따라 서로와 통신하게 하는 메커니즘을 제공한다. 버스 서브시스템(412)이 단일 버스로서 개략적으로 도시되지만, 버스 서브시스템의 대안적인 실시예들은 다수의 버스를 사용할 수 있다.
도 12에 도시된 제어기보다 더 많거나 더 적은 구성 요소를 갖는 제어기(184)의 많은 다른 구성이 가능하다.
본 발명이 예로서이고 다양한 변경이 본 발명에 포함되는 교시의 타당한 범위로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 상세들을 추가하거나, 변경하거나, 제거함으로써 행해질 수 있다는 것은 분명할 것이다. 그러므로, 본 발명은 이하의 청구항들이 반드시 본 발명의 특정 상세들에 제한되는 정도까지를 제외하고는 본 발명의 특정 상세들에 제한되지 않는다.

Claims (30)

  1. 용접 파형을 생성하도록 구성되는 출력 회로망;
    상기 출력 회로망에 의해 생성되는 용접 전류를 측정하는 전류 센서;
    상기 용접 파형의 출력 전압을 측정하는 전압 센서; 및
    상기 용접 파형을 제어하도록 상기 출력 회로망에 작동적 연결되고, 상기 용접 전류 및 상기 출력 전압을 모니터링하도록 상기 전류 센서 및 상기 전압 센서에 작동적 연결되는 제어기를 포함하며,
    상기 용접 파형의 일부는 제1 레벨로부터 상기 제1 레벨과 상이한 제2 레벨로의 전류의 제어된 변화를 포함하고, 상기 제어기는 상기 출력 전압 및 상기 전류의 제어된 변화로부터 회로 인덕턴스를 결정하고, 상기 회로 인덕턴스에 기반하여 실시간으로 소모품 전극의 저항의 변화를 추가로 결정하도록 구성되는, 용접 또는 적층 제조 전원 공급기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 용접 전류 및 상기 출력 전압으로부터 실시간으로 회로 임피던스를 결정하도록 구성되는, 용접 또는 적층 제조 전원 공급기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전류의 제어된 변화는 상기 용접 파형의 전류 램프 부분 동안 일어나는, 용접 또는 적층 제조 전원 공급기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 소모품 전극의 상기 저항의 변화에 기반하여 단락 이벤트의 간격을 결정하도록 구성되는, 용접 또는 적층 제조 전원 공급기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 소모품 전극의 상기 저항의 변화에 기반하여 전극 돌출 거리의 변화를 결정하도록 구성되는, 용접 또는 적층 제조 전원 공급기.
  6. 제1항에 있어서,
    출력 스위치; 및
    상기 출력 스위치와 병렬로 연결되는 저항기를 더 포함하며,
    상기 용접 파형은 최소 전류 부분, 상기 소모품 전극과 워크피스 사이의 단락 이벤트 동안의 핀치 전류 부분, 플라스마 승압 펄스 부분, 및 상기 플라스마 승압 펄스 부분으로부터 백그라운드 전류 레벨로의 테일 아웃을 포함하고,
    상기 제어기는 상기 출력 스위치에 작동적 연결되고 상기 소모품 전극의 상기 저항의 변화에 기반하여 상기 용접 파형의 상기 최소 전류 부분을 구현하기 위해 상기 출력 스위치를 비활성화시키도록 구성되는, 용접 또는 적층 제조 전원 공급기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 소모품 전극의 상기 저항의 변화를 임계값과 비교하고 상기 소모품 전극의 상기 저항의 변화가 상기 임계값을 충족시키거나 초과할 때, 상기 출력 스위치를 비활성화시키도록 구성되는, 용접 또는 적층 제조 전원 공급기.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 회로 인덕턴스를 임계값과 비교하고 상기 회로 인덕턴스를 상기 임계값과 비교하는 것의 결과에 기반하여 상기 출력 스위치의 재활성화를 제어하도록 구성되는, 용접 또는 적층 제조 전원 공급기.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 핀치 전류 부분은 상기 제어기가 기준치 회로 저항을 결정하는 정전류 부분을 포함하는, 용접 또는 적층 제조 전원 공급기.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 회로 인덕턴스에 기반하여 용접 전류 램프 속도를 조정하도록 구성되는, 용접 또는 적층 제조 전원 공급기.
  11. 소모품 전극;
    토치;
    증착 작동 동안 상기 토치를 통해 상기 소모품 전극을 진행시키는 와이어 공급기; 및
    적어도 하나의 케이블을 통해 상기 와이어 공급기 및 상기 토치에 작동적 연결되는 전원 공급기를 포함하며,
    상기 전원 공급기는 상기 소모품 전극에서 용접 전류를 생성하도록 상기 토치에 일련의 용접 파형들을 제공하도록 구성되고, 상기 일련의 용접 파형들의 개별 용접 파형의 일부는 제1 레벨로부터 상기 제1 레벨과 상이한 제2 레벨로의 전류의 제어된 변화를 포함하고, 상기 전원 공급기는 상기 전류의 제어된 변화 동안 행해지는 전압 및 전류 측정들에 기반하여 회로 인덕턴스를 결정하도록 구성되고,
    상기 전원 공급기는 상기 회로 인덕턴스에 기반하여 실시간으로 상기 소모품 전극의 저항의 변화를 결정하도록 추가로 구성되는, 용접 또는 적층 제조 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 전원 공급기는 상기 용접 전류를 측정하는 전류 센서, 및 상기 전원 공급기의 출력 전압을 측정하는 전압 센서를 포함하고, 상기 전원 공급기는 상기 용접 전류 및 상기 출력 전압으로부터 실시간으로 회로 임피던스를 결정하도록 구성되는, 용접 또는 적층 제조 시스템.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 전류의 제어된 변화는 상기 개별 용접 파형의 전류 램프 부분 동안 일어나는, 용접 또는 적층 제조 시스템.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 전원 공급기는 상기 소모품 전극의 상기 저항의 변화에 기반하여 단락 이벤트의 간격을 결정하도록 구성되는, 용접 또는 적층 제조 시스템.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 전원 공급기는 상기 소모품 전극의 상기 저항의 변화에 기반하여 전극 돌출 거리의 변화를 결정하도록 구성되는, 용접 또는 적층 제조 시스템.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 전원 공급기는:
    출력 스위치; 및
    상기 출력 스위치와 병렬로 연결되는 저항기를 포함하며,
    상기 개별 용접 파형은 최소 전류 부분, 상기 소모품 전극과 워크피스 사이의 단락 이벤트 동안의 핀치 전류 부분, 플라스마 승압 펄스 부분, 및 상기 플라스마 승압 펄스 부분으로부터 백그라운드 전류 레벨로의 테일 아웃을 포함하고, 상기 전원 공급기는 상기 소모품 전극의 상기 저항의 변화에 기반하여 상기 출력 스위치를 비활성화시키도록 구성되는, 용접 또는 적층 제조 시스템.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 전원 공급기는 상기 소모품 전극의 상기 저항의 변화를 임계값과 비교하고 상기 소모품 전극의 상기 저항의 변화가 상기 임계값을 충족시키거나 초과할 때, 상기 출력 스위치를 비활성화시키도록 구성되는, 용접 또는 적층 제조 시스템.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 전원 공급기는 상기 회로 인덕턴스를 임계값과 비교하고 상기 회로 인덕턴스를 상기 임계값과 비교하는 것의 결과에 기반하여 상기 출력 스위치의 재활성화를 제어하도록 구성되는, 용접 또는 적층 제조 시스템.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 핀치 전류 부분은 상기 전원 공급기가 기준치 회로 저항을 결정하는 정전류 부분을 포함하는, 용접 또는 적층 제조 시스템.
  20. 제11항에 있어서,
    상기 전원 공급기는 상기 회로 인덕턴스에 기반하여 용접 전류 램프 속도를 조정하도록 구성되는, 용접 또는 적층 제조 시스템.
  21. 용접 파형을 생성하도록 구성되는 출력 회로망;
    상기 출력 회로망에 의해 생성되는 용접 전류를 측정하는 전류 센서;
    상기 용접 파형의 출력 전압을 측정하는 전압 센서; 및
    상기 용접 파형을 제어하도록 상기 출력 회로망에 작동적 연결되고, 상기 용접 전류 및 상기 출력 전압을 모니터링하도록 상기 전류 센서 및 상기 전압 센서에 작동적 연결되는 제어기를 포함하며,
    상기 용접 파형의 일부는 제1 레벨로부터 상기 제1 레벨과 상이한 제2 레벨로의 전류의 제어된 변화를 포함하고, 상기 제어기는 적어도 상기 전류의 제어된 변화로부터 증착 작동 동안 실시간으로 회로 인덕턴스를 결정하고, 상기 회로 인덕턴스에 기반하여 실시간으로 소모품 전극의 저항의 변화를 추가로 결정하도록 구성되는, 용접 또는 적층 제조 전원 공급기.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 용접 전류 및 상기 출력 전압으로부터 실시간으로 회로 임피던스를 결정하도록 구성되는, 용접 또는 적층 제조 전원 공급기.
  23. 제21항에 있어서,
    상기 전류의 제어된 변화는 상기 용접 파형의 전류 램프 부분 동안 일어나는, 용접 또는 적층 제조 전원 공급기.
  24. 제21항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 소모품 전극의 상기 저항의 변화에 기반하여 단락 이벤트의 간격을 결정하도록 구성되는, 용접 또는 적층 제조 전원 공급기.
  25. 제21항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 소모품 전극의 상기 저항의 변화에 기반하여 전극 돌출 거리의 변화를 결정하도록 구성되는, 용접 또는 적층 제조 전원 공급기.
  26. 제21항에 있어서,
    출력 스위치; 및
    상기 출력 스위치와 병렬로 연결되는 저항기를 더 포함하며,
    상기 용접 파형은 최소 전류 부분, 상기 소모품 전극과 워크피스 사이의 단락 이벤트 동안의 핀치 전류 부분, 플라스마 승압 펄스 부분, 및 상기 플라스마 승압 펄스 부분으로부터 백그라운드 전류 레벨로의 테일 아웃을 포함하고,
    상기 제어기는 상기 출력 스위치에 작동적 연결되고 상기 소모품 전극의 상기 저항의 변화에 기반하여 상기 용접 파형의 상기 최소 전류 부분을 구현하기 위해 상기 출력 스위치를 비활성화시키도록 구성되는, 용접 또는 적층 제조 전원 공급기.
  27. 제26항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 소모품 전극의 상기 저항의 변화를 임계값과 비교하고 상기 소모품 전극의 상기 저항의 변화가 상기 임계값을 충족시키거나 초과할 때, 상기 출력 스위치를 비활성화시키도록 구성되는, 용접 또는 적층 제조 전원 공급기.
  28. 제26항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 회로 인덕턴스를 임계값과 비교하고 상기 회로 인덕턴스를 상기 임계값과 비교하는 것의 결과에 기반하여 상기 출력 스위치의 재활성화를 제어하도록 구성되는, 용접 또는 적층 제조 전원 공급기.
  29. 제26항에 있어서,
    상기 핀치 전류 부분은 상기 제어기가 기준치 회로 저항을 결정하는 정전류 부분을 포함하는, 용접 또는 적층 제조 전원 공급기.
  30. 제21항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 회로 인덕턴스에 기반하여 용접 전류 램프 속도를 조정하도록 구성되는, 용접 또는 적층 제조 전원 공급기.
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